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1 引言
物聯(lián)網(wǎng)（IOT ，Internet of things）是繼互聯(lián)網(wǎng)后又一次技術(shù)的革新，代表著未來計(jì)算機(jī)與通信的發(fā)展方向。而物聯(lián)網(wǎng)最大的變革在于實(shí)現(xiàn)了物理世界的情景感知、處理和控制這一閉環(huán)過程，形成了真正的物與物，物與人，人與人之間信息連接的新一代智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層是由各種傳感器構(gòu)成，是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來源。網(wǎng)絡(luò)層是負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，它需要與行業(yè)需求結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)最底層，感知層肩負(fù)起很重要的作用，數(shù)據(jù)要先經(jīng)過感知層的采集和識(shí)別然后才能進(jìn)行接下來的處理與傳輸?shù)炔僮鳌Ｒ虼耍瑐鞲芯W(wǎng)建立的重要性是十分重大的。
隨著傳感網(wǎng)的不斷發(fā)展，以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN, Wireless Senor Network）的確立，不僅使得在信息采集技術(shù)的這一領(lǐng)域有了進(jìn)一步的發(fā)展，而且還帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。本文立足于無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的最底層，分析了基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入模式。
2 相關(guān)技術(shù)問題分析
2.1 ZigBee協(xié)議棧與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要點(diǎn)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種技術(shù)集成度高，涉及多種前沿科學(xué)技術(shù)的信息采集變換，組網(wǎng)傳送，融合處理，反饋調(diào)節(jié)的多信息綜合采集與組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。在當(dāng)前的國(guó)際信息產(chǎn)業(yè)界和技術(shù)研究領(lǐng)域里都受到廣泛關(guān)注。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無線傳感絡(luò)并不需要較高的帶寬，但是需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗并且可以使用戶擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列。而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題，ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無線傳感網(wǎng)絡(luò)完美的結(jié)合在一起。以下將對(duì)ZigBee協(xié)議棧加以說明。
ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一些層構(gòu)成，每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法(協(xié)議)和上一層連接。數(shù)據(jù)實(shí)體(data entity)提供數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)，而管理實(shí)體(management entity)提供所有的服務(wù)類型。每個(gè)層的服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP ,service access point)和上一層相接，每個(gè)SAP提供大量服務(wù)方法來完成相應(yīng)的操作。ZigBee協(xié)議棧基于標(biāo)準(zhǔn)的OSI七層模型，但只是在相關(guān)范圍來定義一些相應(yīng)層來完成特定的任務(wù)。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩個(gè)層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層(NWK層)以及應(yīng)用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應(yīng)用支持子層(APS ,application support sub-layer)，ZigBee的設(shè)備對(duì)象(ZDO ,zigbee device object)以及制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。ZigBee技術(shù)的整體協(xié)議架構(gòu)如下圖1所示。
圖1 ZigBee整體架構(gòu)
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著與外界直接作用的任務(wù)，它采用擴(kuò)頻通信調(diào)制方式，由圖1可以看到這里定義了兩個(gè)頻率的物理層，這兩個(gè)頻率段分別為868/915MHz和2．4GHz。MAC層負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址。它可完成對(duì)無線物理信道的接入過程管理，包括以下幾方面：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步、完成PAN的入網(wǎng)和脫離網(wǎng)絡(luò)過程、網(wǎng)絡(luò)安全控制、利用CSMA-CA機(jī)制進(jìn)行信道接入控制、處理和維持GTS(Guaranteed Time Slot)機(jī)制、在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體間提供可靠的鏈路連接。
ZigBee又在以上兩層的基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧、使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址、保證節(jié)點(diǎn)之間的同步、提供網(wǎng)絡(luò)的路由。網(wǎng)絡(luò)層確保MAC子層的正確操作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了給應(yīng)用層提供合適的接口，網(wǎng)絡(luò)層用數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體來提供必需的功能。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)通過相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，即NLDE.SAP；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來提供管理服務(wù)，即NLME.SAP。NLME利用NLDE來完成一些管理任務(wù)和維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，通常稱作網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)(Network Information base,NIB)。應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。它維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，并根據(jù)服務(wù)和需求在多個(gè)器件之間進(jìn)行通信。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(APS )、設(shè)備對(duì)象(ZDO，包括ZDO管理平臺(tái))以及制造商定義的應(yīng)用設(shè)備對(duì)象組成。APS子層的作用包括維護(hù)綁定表(綁定表的作用是基于兩個(gè)設(shè)備的服務(wù)和需要把它們綁定在一起)、在綁定設(shè)備間傳輸信息。ZDO的作用包括在網(wǎng)絡(luò)中定義一個(gè)設(shè)備的作用(如定義設(shè)備為協(xié)調(diào)者或?yàn)槁酚善骰驗(yàn)榻K端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并確定它們能提供何種服務(wù)、起始或回應(yīng)綁定需求以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中建立一個(gè)安全的連接。
2.2 TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信方式
對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)而言，其傳輸控制與因特網(wǎng)互聯(lián)規(guī)則也就是TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議。它由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成，此協(xié)議采用了四層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。可以這樣說，TCP負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一旦發(fā)現(xiàn)有問題就會(huì)要求重新傳輸，直到所有的數(shù)據(jù)安全正確的傳輸?shù)侥康牡兀鳬P是給了因特網(wǎng)的每一臺(tái)電腦規(guī)定了一個(gè)地址。
TCP/IP協(xié)議由鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層這四層組成。對(duì)于此協(xié)議的熟知程度，具體的每層協(xié)議的功能在這里將不進(jìn)行詳細(xì)的說明。而網(wǎng)關(guān)作為在傳輸層以上工作的，為了深入的了解此文所提出來的網(wǎng)關(guān)接入模式，在此將對(duì)傳輸層以上進(jìn)行一些分析說明。傳輸層提供應(yīng)用程序之間的通信。其功能包括：格式化信息流和提供可靠傳輸，為實(shí)現(xiàn)后者，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認(rèn)，并且假如分組丟失，必須重新發(fā)送，從而提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。而傳輸層的協(xié)議主要是：TCP和UDP協(xié)議。在本文所提出的的網(wǎng)絡(luò)傳輸由于速率因素，我們?cè)诖瞬捎肨CP傳輸。在TCP傳輸過程中，數(shù)據(jù)從應(yīng)用層到傳輸層，數(shù)據(jù)的報(bào)頭是TCP報(bào)頭，然后下到網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)在之前的TCP報(bào)頭前在加上IP報(bào)頭，IP報(bào)頭中有目標(biāo)IP和源IP，然后到數(shù)據(jù)鏈路層后又在上層的數(shù)據(jù)中加上首部和尾部，然后經(jīng)過物理層傳輸?shù)侥康牡兀?jīng)過路由器分析目標(biāo)IP然后查找路由表在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，來到目標(biāo)計(jì)算機(jī)然后從物理層開始解封裝，然后一層一層向上傳輸。而在此文中所涉及到的傳輸過程，就從應(yīng)用層到傳輸層，數(shù)據(jù)帶有TCP報(bào)頭就進(jìn)入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，解封裝后從新封裝從而傳到ZigBee的應(yīng)用層。
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